喂絲球化處理工藝在離心球墨鑄鐵管生產(chǎn)中的應(yīng)用

王 靜，閆啟棟，胡家驄

（1.禹州市恒利來新材料股份有限公司，河南 禹州 452570；2.中國農(nóng)機(jī)研究院工藝所，北京 100000）

隨著國內(nèi)城鎮(zhèn)化地下管網(wǎng)建設(shè)及改造的發(fā)展，球墨鑄鐵管需求量越來越大，球墨鑄鐵管以其高的強(qiáng)度、塑性及韌性具有較好的抗高壓、抗氧化、抗腐蝕等性能，抗腐蝕性比灰口鑄鐵大35%，提高了管網(wǎng)使用的壽命和可靠性[1]。2021 年國內(nèi)鑄管產(chǎn)量為752.55 萬t，其中離心球墨鑄鐵管703.06 萬t，占比93.46%[2].離心球墨鑄鐵管熔煉工藝普遍采用：高爐熔煉鐵液—混鐵爐保溫—中頻感應(yīng)電爐調(diào)整成分和升溫的短流程工藝，將高爐鐵液裝入混鐵爐中保溫，然后再將鐵液轉(zhuǎn)倒入10 t～15 t 中頻電爐內(nèi)，加入10%左右廢鋼和少量硅鐵，調(diào)整化學(xué)成分并升至合適的溫度、球化處理、澆注。生產(chǎn)批量大，要求一天三班連續(xù)生產(chǎn)，對鐵液化學(xué)成分和溫度要求嚴(yán)格[3]。喂絲球化處理工藝作為自動控制、精準(zhǔn)加入、環(huán)保的先進(jìn)球化處理方法，在離心球墨鑄鐵管生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。

1 喂絲球化處理工藝簡介

目前離心球墨鑄鐵鐵液球化處理應(yīng)用比較多的有沖入法、喂絲法和噴鎂法。各種球化處理工藝特點(diǎn)和適用范圍見表1 所示。

表1 各種球化處理工藝特點(diǎn)和適用范圍

為適應(yīng)環(huán)保、質(zhì)量和自動化升級需求，喂絲球化工藝已經(jīng)廣泛取代沖入法、噴鎂法應(yīng)用于離心球墨鑄鐵管的生產(chǎn)中。

喂絲法球化工藝如圖1 所示。喂絲法球化是利用喂絲機(jī)將加工成一定直徑線材的球化劑與孕育劑以一定的速度均勻地連續(xù)不斷地加入到裝有鐵液的球化包底部，使鐵液球化的過程。喂絲球化的特點(diǎn)如下：

圖1 喂絲法球化示意圖

1）球化率高，石墨細(xì)小。用冷模法生產(chǎn)的鑄管，球化率一般為2 級，而小口徑鑄管可達(dá)1～2 級。石墨大小為7 級。

2）鑄管的內(nèi)在質(zhì)量高。用喂絲球化工藝生產(chǎn)的鑄管，目前一次打壓合格率在98%以上。

3）鐵液純凈度好。喂絲球化處理后的渣為堿性渣，易與鐵液分離。經(jīng)取樣分析，渣的三元堿度為2.5～4.0，故易扒渣干凈，不會因渣裹在鐵液中而影響滲漏。

4）處理溫降小。由于其加入量少，故球化處理溫降也小，一般溫降為20 ℃～30 ℃.

5）作業(yè)環(huán)境好。喂絲過程可以實(shí)現(xiàn)全自動化，工人勞動強(qiáng)度??；球化處理產(chǎn)生的鎂煙霧、灰塵等小，可在處理點(diǎn)集中由排風(fēng)機(jī)抽走，經(jīng)布袋除塵后向車間外排放。

6）操作穩(wěn)定，球化處理的質(zhì)量穩(wěn)定性好，喂絲的加入量可以隨時(shí)調(diào)整。如光譜快速測定的殘留鎂量較低，可以返回再補(bǔ)加鎂包芯線，以保證澆注前的鐵液100%球化合格。

2 喂絲設(shè)備及喂絲球化工藝參數(shù)

2.1 喂絲設(shè)備組成及作用

喂絲機(jī)構(gòu)主要由喂絲機(jī)、控制系統(tǒng)、包蓋升降系統(tǒng)和除塵系統(tǒng)等四部分組成。喂絲機(jī)包括動力系統(tǒng)、送線機(jī)構(gòu)；控制系統(tǒng)包括自動化控制和數(shù)據(jù)傳輸、顯示和儲存等；除塵系統(tǒng)集中抽走球化處理產(chǎn)生的煙氣，干法除塵處理后向廠房外排放。

喂絲工藝對球化包的要求：球化包要求有較大的高徑比，H/D＝1.6～1.8.液面距包上沿距離為400 mm～450 mm.如某公司3.5 t 包的尺寸為：D內(nèi)＝φ850 mm，H內(nèi)≈1 550 mm，D外＝φ1 034 mm，H外＝1 700 mm.

喂絲工藝所用包蓋一般采用耐熱鑄鐵。包蓋厚度一般大于100 mm，以防止鐵水在球化時(shí)外溢損壞（熔化）。

2.2 喂絲球化處理工藝過程及參數(shù)

將電爐鐵液倒入可顯示鐵液重量的球化包中，測定球化前的鐵液溫度，扣上包蓋，以設(shè)定的喂絲速度向球化包中喂入設(shè)定好長度的球化鎂包芯線，喂絲后扒渣，再倒入扇形包中使用。

喂絲球化處理工藝過程及參數(shù)：

1）將成卷的鎂包芯線放在爐臺上的轉(zhuǎn)盤內(nèi)，將包芯線頭裝入喂絲機(jī)內(nèi)，并從球化處理包的包蓋孔中伸出。

2）在喂絲機(jī)的顯示器上設(shè)定喂絲長度和速度。喂絲速度一般采用40 m/min～60 m/min.但必須根據(jù)球化鐵液溫度和包內(nèi)鐵液深度調(diào)整喂絲速度，且液面至包蓋保證400 mm～450 mm 的間距，以減少鐵液飛濺。

3）在球化包包底加入需補(bǔ)加的75SiFe.將達(dá)到一定溫度的電爐鐵液倒入球化包內(nèi)，強(qiáng)化過程孕育。

4）將球化包吊運(yùn)到平車上，移動平車將球化包置于球化處理位置，包蓋升降系統(tǒng)提升或放下包蓋，包蓋由耐熱鑄鐵鑄造或鋼板外殼耐火材料預(yù)制，以防飛濺鐵液使它產(chǎn)生變形，在包蓋底部應(yīng)涂有涂料，防止粘鐵。同時(shí)應(yīng)定期清理包蓋底部和球化包口邊沿的粘鐵。

5）鎂包芯線必須垂直地插入鐵液中（應(yīng)防止鎂包芯線附在球化包的內(nèi)壁上往下插入鐵液，國外喂絲機(jī)均配有包芯線拉直機(jī)構(gòu)），鎂的吸收率才會比較高。

6）鎂合金包芯線一般加入量為18 m/t～23 m/t.純鎂包芯線一般加入量為32 m/t～40 m/t.按設(shè)定的喂絲長度和速度向球化包內(nèi)喂入鎂包芯線。當(dāng)鐵液含S 量偏高或處理溫度較高時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加大鎂包芯線的加入量。

7）球化處理后應(yīng)立即取樣，用直讀光譜儀快速分析鐵液化學(xué)成分（如鐵液殘留鎂量不足時(shí)，可將球化包返回，補(bǔ)加鎂包芯線）。

8）將球化包吊運(yùn)至扒渣地點(diǎn)，加聚渣劑并扒渣。聚渣劑的加入量和扒渣操作同沖入法球化。但堿性渣較為零散，應(yīng)注意仔細(xì)扒凈。

9）從球化完畢至澆注完畢的時(shí)間t≤15 min（涂料熱模法t≤12 min）以內(nèi)，以免引起球化衰退問題。

3 喂絲球化材料及應(yīng)用

3.1 喂絲球化包芯線材料

常用的球化包芯線有兩種。鎂合金球化線和純鎂球化線。鎂合金包芯線中主要化學(xué)成分：w（Mg）20%～35%，w（RE）1%～3%，w（Si）40%～44%，w（Ca）2%～3%.正常生產(chǎn)中使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%～30%的Mg較多。包芯線外徑φ13mm，單位長度粉重240 g/m～250 g/m，線重390 g/m～400g/m.純鎂粒球化線：外徑為φ10 mm 或φ13 mm 約含85%～90%Mg，并加有少量RE-Si-Fe 和減緩劑等，單位長度粉重60 g/m～63 g/m，線重138 g/m～142 g/m.

3.2 鎂合金喂絲包芯線的應(yīng)用

鎂合金喂絲法球化過程主要存在的問題是鎂的吸收率較低，所以穩(wěn)定鎂的吸收率是保證球化質(zhì)量的關(guān)鍵。喂絲法球化時(shí)鎂的吸收率與鎂合金包芯線中含鎂量、球化處理溫度、喂絲速度等因素有關(guān)。含Mg 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%～35%的合金包芯線的鎂吸收率大都集中在30%～40%范圍內(nèi)，相對于沖入法鎂的吸收率偏低。影響鎂吸收率有如下幾個(gè)因素：

（1）鎂合金中含鎂量

芯粉中含鎂量低，球化反應(yīng)相對平穩(wěn)些，鎂的吸收率也相對高些。對于水冷金屬型離心球墨鑄鐵管，采用Mg 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的合金包芯線，鎂的吸收率可達(dá)35%～50%；采用鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的合金包芯線，鎂的吸收率則為32%～45%.

（2）球化處理溫度

1）球化處理溫度影響鎂的蒸汽壓，lgP ＝-71113/T+5.158.外加壓力與Mg 的沸點(diǎn)關(guān)系見表2所示。

表2 Mg 的沸點(diǎn)與壓力的關(guān)系

從表2 可見，球化處理的鐵水溫度低，鎂的蒸汽壓小，鐵水飛濺小。但鐵液的球化處理溫度受鑄管的澆注溫度和處理過程中溫降的限制。

2）球化處理溫度對鎂的吸收率影響很大。處理溫度在1 440 ℃～1 470 ℃時(shí)，鎂包芯線喂入鐵液后有4 s～6 s 的間隔，然后開始反應(yīng)，且反應(yīng)相對平穩(wěn)些；如果球化處理溫度在1 470 ℃～1 520 ℃時(shí)，包芯線喂入2 s～3 s 就開始劇烈反應(yīng)，鎂光逸出多，包內(nèi)鐵液從包蓋邊緣迸濺出來，鎂的吸收率有所降低；若鐵液溫度過高（＞1 520 ℃～1 550 ℃），鎂在鐵液的上層產(chǎn)生激烈反應(yīng)，使鐵液球化不良；若球化處理溫度低于1 420 ℃，在包芯線喂入后期，由于包芯線不能充分熔化而影響鎂的吸收率。

3）喂絲速度與球化反應(yīng)時(shí)間。合適的喂絲速度應(yīng)該是包芯線到達(dá)包底時(shí)能完全熔化，球化冶金反應(yīng)一直在包底進(jìn)行，這樣能使合金中有效成分與鐵液充分接觸。喂絲速度控制在40 m/min～60 m/min比較理想，球化反應(yīng)時(shí)間90 s～120 s.

4）鎂包芯線喂絲球化后至鐵液澆注完畢，不同時(shí)間取樣的鐵液殘留硫量和鎂量。在球化處理后15 min～18 min 內(nèi)不會產(chǎn)生球化衰退問題，殘留鎂量的消失（減少）速度大約為0.000 5%/min～0.001 0%/min.

3.3 純鎂粒喂絲包芯線的應(yīng)用

（1）鎂的吸收率問題。增加合金中鎂的含量，必定會使球化反應(yīng)更加激烈，影響鎂的吸收率（約25%～35%）.為了提高鎂的吸收率，禹州恒利來采取了：a）減小線徑（φ10 mm），降低單位長度的粉重；b）控制鋼帶厚度；c）加大喂絲速度（增大到70 m/min～90 m/min）；d）適當(dāng)?shù)丶哟罅艘好嬷涟數(shù)木嚯x（調(diào)整為600 mm～650 mm）；e）控制球化處理時(shí)鐵液的溫度等技術(shù)措施。

在喂絲速度控制在70 m/min～90m/min 時(shí)，球化反應(yīng)的激烈程度在生產(chǎn)操作中可以接受，包底殘鎂/液面殘鎂為0.7～0.8，說明純鎂包芯線的球化反應(yīng)基本上在靠近包底處進(jìn)行。

（2）脫硫效果問題。純鎂線喂絲球化，對鐵液具有很好的脫硫效果。原鐵液硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.018%～0.024%時(shí)，脫硫率可達(dá)60%以上。

（3）干擾元素問題。用純鎂包芯線作喂絲球化處理時(shí)，當(dāng)鐵液中雜質(zhì)元素含量較高時(shí)，即使殘留鎂量較高，但球化質(zhì)量仍然不好。應(yīng)要求鐵液中Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.06%，雜質(zhì)總量低于0.1%.為保證球化質(zhì)量的穩(wěn)定性，應(yīng)在純鎂芯粉中加入一定量的稀土。這與德國迪爾公司曼哈姆鑄造廠采用純鎂轉(zhuǎn)包球化處理時(shí)，在包內(nèi)加入少量稀土硅鐵的做法是相同的。

（4）純鎂喂絲球化處理方法特點(diǎn)。

1）球化后鐵液的渣量明顯減少，可提高鐵液的純凈度、球化等級和鑄管內(nèi)在質(zhì)量。

2）具有良好的脫硫效果。用純鎂喂絲法球化處理后的鐵液，含硫量大部分低于0.01%，脫硫率平均高于50%.

3）球化成本低（加入量約為32 m/t～40 m/t）.比鎂合金喂絲法、稀土-鎂沖入法均有所降低。

（5）純鎂喂絲法球化反應(yīng)比鎂合金喂絲法激烈，球化處理時(shí)鐵液飛濺比較歷害。要求球化處理溫度要適當(dāng)?shù)氐鸵恍? 460 ℃～1 490 ℃處理溫度可以接受），只要控制好喂絲速度、液面至包頂深度，可以應(yīng)用于正常生產(chǎn)。

4 渣的酸堿度問題

采用普通的稀土鎂（RE-Mg）沖入法球化處理時(shí)，球化劑中含Si 量較高（約含40%～44%Si），故鐵液增Si 量大，球化后鐵液表面的浮渣為酸性渣：

喂絲法球化處理后，由于浮渣中MgO 大量增加（一般可達(dá)20%～25%），故為堿性渣：

沖入法球化產(chǎn)生的酸性渣為粘合形態(tài)（群集、聚合，成團(tuán)聚狀，較粘稠），因較粘稠，易粘包沿，使包沿處的粘渣難以清理干凈，隨時(shí)會隨著鐵液澆入管模內(nèi)，形成渣孔缺陷。鎂包芯線喂絲法球化產(chǎn)生的堿性渣為干焦態(tài)（散發(fā)狀態(tài)），分散狀浮在鐵液表面上，易與鐵液分離，且不粘包，易于扒渣，有利于凈化鐵液，減少夾渣缺陷。

5 喂絲法球化處理后金相組織與力學(xué)性能

喂絲法球化處理后離心球墨鑄鐵管金相組織中，石墨球圓整、均勻且細(xì)小，球化率一般為1 級～2級，石墨大小為7 級。經(jīng)退火后鐵素體量達(dá)90%～95%.σb＝455 MPa～505 MPa，σs＝305 MPa～370 MPa，δ＝18%～24%，HBW154～170.水壓試驗(yàn)全部合格，鑄管成品率提高1%～2%.

離心球墨鑄鐵管生產(chǎn)中對殘留含鎂的控制：a）冷模法由于冷卻速度快，鐵液中w（Mg殘）≥0.035%即可保證球化良好；b）涂料熱模法（大口徑鑄管）冷卻速度較慢，鐵液澆入管模中后凝固時(shí)間較長，造成鎂蒸汽不斷散發(fā)，故要求w（Mg殘）≥0.055%才能保證球化良好。

6 喂絲球化工藝應(yīng)用應(yīng)注意的問題及對策

6.1 原鐵液含硫量對球化處理效果的影響

加入鐵液中的Mg，先消耗用于脫硫，然后剩余的Mg 才能起球化作用。故含S 高的鐵液必定先消耗大量加入的Mg，因而使喂絲加入量大幅增加，見表3 所示。

表3 不同原鐵液含S 量時(shí)的喂絲加入量

計(jì)算Mg 的吸收率時(shí)采用的公式為：

η吸＝w（Mg有效）/w（Mg加入）＝［w（Mg殘）+w（S原）-w（S殘）×0.76］/w（Mg），加入（Mg+S→MgS 其質(zhì)量比w（Mg）/w（S）＝24.31/32.06≈0.76.

根據(jù)原鐵液含S 量然后計(jì)算出所需要的鎂包芯線加入量。

含硫較高的鐵液將對球化處理帶來一定的困難，不僅鎂合金包芯線消耗大使生產(chǎn)成本增加，而且質(zhì)量穩(wěn)定性也較差。最合適的方法是，先將原鐵液作脫硫處理：a）采用CaC2+多孔塞吹氮?dú)?；b）用CaO 連續(xù)脫硫），再進(jìn)行喂絲球化。

6.2 基體組織上產(chǎn)生少量一次碳化物的原因

6.2.1 原因分析

對于一些原采用沖入法的生產(chǎn)單位來說，往往發(fā)現(xiàn)改用喂絲法球化處理后，球鐵鑄件的金相組織中產(chǎn)生一定量一次（共晶）碳化物。其可能原因是：碳當(dāng)量過低，或鐵液過冷度增加，特別是終Si 量過低。因?yàn)橛梦菇z法球化處理時(shí)，帶入的Si 量（約增Si 0.30%～0.40%）比RE-Mg 沖入法帶入的Si 量（約增Si 0.55%～0.60%）要低得多（約相差0.25%～0.30%），造成孕育量不足。

6.2.2 采取的措施

1）在原沖入法加Si-Fe 孕育基礎(chǔ)上，再補(bǔ)（增）加約0.35%～0.4%Si-Fe，以達(dá)到合適的成分。

2）要注意硅鐵的孕育效果：補(bǔ)加的硅鐵不能加入電爐內(nèi)，而應(yīng)放在球化包包底，或在出鐵時(shí)加在鐵流中，發(fā)揮其瞬時(shí)孕育效果。

7 經(jīng)濟(jì)效益

7.1 直接經(jīng)濟(jì)效益

沖入法的球化處理成本為：3-7 球化劑，加入量通常為1.3%，噸鐵水的成本約143 元；

喂絲球化處理工藝成本：φ13mm 球化線每噸鐵水加入量一般為20 m，成本約85.8 元/噸，孕育劑增加0.3%，約27 元/t，合計(jì)112.8 元。

與沖入法相比，喂絲法通?？梢怨?jié)省約31 元/t，由于鑄管綜合成品率提高了1%～2%，故實(shí)際生產(chǎn)成本可降低40 元/t～60 元/t.

7.2 間接經(jīng)濟(jì)效益

1）球鐵質(zhì)量可穩(wěn)定地保持在規(guī)定的范圍之內(nèi)，可以減少因球化不良、滲碳體超標(biāo)、氣孔等缺陷，使成品率提高1～2 個(gè)百分點(diǎn)；

2）不需要對球化劑、孕育劑和覆蓋料進(jìn)行人工稱量、投入、夯實(shí)與覆蓋，完全消除人為因素的影響；減少球化包修整的勞動強(qiáng)度，可減少人工1 人/班～2 人/班；

3）在球化處理的所有環(huán)節(jié)中，操作工人幾乎不再與處理作業(yè)產(chǎn)生的煙氣和微塵接觸，從而減少塵肺等職業(yè)病的發(fā)生；

4）煙塵和鎂光得到管理，工作場地清潔衛(wèi)生，提升企業(yè)競爭力。

8 結(jié)論

1）喂絲球化處理工藝同樣含鎂量純鎂粒喂絲包芯線爆發(fā)較鎂合金包芯線激烈，鎂的吸收率低4%左右。

2）喂絲法球化處理時(shí)，球化線增Si 量0.30%～0.40%左右，需在包底沖入或球化前補(bǔ)加約0.35%～0.4%硅鐵，強(qiáng)化過程孕育，減少珠光體含量。

3）喂絲法球化處理浮渣堿度為2.5～4.0，易扒渣。

4）鑄管金相組織顯示，石墨球圓整、均勻且細(xì)小，球化率1～2 級，石墨大小7 級。經(jīng)退火后鐵素體量達(dá)90%～95%.力學(xué)性能為：σb＝455 MPa～505 MPa，σs＝305 MPa～370 MPa，δ＝18%～24%，HBW154～170.

5）與沖入法相比，喂絲法通?？梢怨?jié)省約31元/t，由于鑄管綜合成品率提高了1%～2%，故實(shí)際生產(chǎn)成本可降低40 元/t～60 元/t.

6）喂絲法球化處理工藝自動控制、質(zhì)量穩(wěn)定、環(huán)境友好、成本節(jié)約等優(yōu)勢，在我國離心球墨鑄鐵管生產(chǎn)中意義重大，具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。